TUM School of Natural Sciences
Walter Schottky Institut - Lehrstuhl für Experimentelle Halbleiterphysik
Prof. Dr. Ian Sharp
Der Lehrstuhl für Experimentelle Halbleiterphysik an der TUM erforscht neuartige halbleitende Materialien und funktionale Grenzflächen mit besonderem Fokus auf Dünnfilmen und deren Heterostrukturen zur Umwandlung von Sonnenlicht in chemische Energieträger, insbesondere durch solare Wasserspaltung. Ziel ist es, optische Anregungen, Ladungstransportmechanismen und Grenzflächendynamiken besser zu verstehen und gezielt zu steuern.
Dazu kombinieren wir modernste Abscheideverfahren wie reaktives Sputtern, Atomlagenabscheidung und Molekularstrahlepitaxie mit einem breiten Spektrum an (in-situ) Charakterisierungsmethoden, die strukturelle, elementare und optoelektronische Eigenschaften erfassen. Dieser integrierte Ansatz ermöglicht die Untersuchung komplexer Prozesse der Licht-zu-Ladung- und Ladung-zu-Chemie-Umwandlung, die den funktionalen Eigenschaften von Solar-zu-Wasserstoff-Systemen zugrunde liegen, und erlaubt es uns, diese Prozesse gezielt zu beeinflussen.
Website: Forschung am WSI
Kontakt: Dr. Verena Streibel
Entwicklung von Demonstratoren zur direkten solaren Wasserspaltung
Ziel des Projekts H2Demo ist es, erstmals größere Demonstratoren für die direkte solare Wasserstofferzeugung mit hoher Umwandlungseffizienz zu entwickeln. Dazu wird eine mit Katalysatoren beschichtete Halbleiterstruktur in direkten Kontakt mit einem wässrigen Elektrolyten gebracht. In der Halbleiterstruktur wird das Sonnenlicht absorbiert und eine ausreichend hohe Photospannung erzeugt, um Wasser direkt an der Oberfläche in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten.
Das Projekt H2Demo konzentriert sich auf die Entwicklung hocheffizienter, kostengünstiger und skalierbarer Demonstratoren. Dazu werden einerseits neuartige GaAsP/Si-Tandemabsorber für die Wasserspaltung optimiert, und andererseits multifunktionale Schutzschichten entwickelt, die gleichzeitig vor Korrosion schützen und als Katalysator für die Wasserstoff- & Sauerstofferzeugung dienen. Durch Atomlagenabscheidung können nanoskalige Effekte in den Schutzschichten gezielt ausgenutzt werden, um hohe katalytische Aktivität mit minimaler parasitärer Absorption zu kombinieren. Die TUM beteiligt sich an diesem groß angelegten Verbundprojekt, das vom Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme geleitet wird, durch die Entwicklung stabiler und effizienter Grenzflächen zwischen Lichtabsorber, Katalysator und flüssigem Elektrolyten.
Projektrahmen: BMBF Forschungsprojekt
Förderung: Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
Förderkennzeichen: 03SF0619
Laufzeit: 04/2021-04/2027
Website: H2Demo
Kontakt: https://www.professoren.tum.de/sharp-ian
Kopplung neuartiger Photoelektrodenmaterialien an selektive Katalysatorsysteme für die künstliche Photosynthese
Das Projekt CO2UPLED entwickelt neuartige Materialien, die mithilfe von Sonnenlicht Wasser und CO2 in solare Brennstoffe umwandeln. Während die Umwandlung von Sonnenlicht in Strom gut erforscht ist, gibt es derzeit noch keine effizienten Methoden, um solare Brennstoffe direkt herzustellen. CO2UPLED will diese Lücke schließen.
Im Zentrum von CO2UPLED stehen neuartige Oxinitrid-Dünnschichten aus Metallkationen, Sauerstoff und Stickstoff. Durch gezielte Variation der Kationenmischung und des Stickstoff-zu-Sauerstoff-Verhältnisses lassen sich Oxinitride gezielt anpassen, um Sonnenlicht effizient aufzunehmen. Die Photoelektroden werden mit Katalysatoren gekoppelt, um chemische Reaktionen zu beschleunigen. Das CO2UPLED -Team nutzt statistische Methoden zur Optimierung der Syntheseprozesse und gewährleistet eine gleichmäßige, hochwertige Materialproduktion. Fortschrittliche spektroskopische Techniken wie Röntgenspektroskopie bei Umgebungsdruck und zeitaufgelöste Infrarotspektroskopie ermöglichen eine detaillierte Analyse von Grenzflächenprozessen. Diese Untersuchungen sollen helfen, die Ladungstrennung und den Ladungsübertragung zu verbessern, die Stabilität der verwendeten Materialien zu erhöhen, und die Effizienz der sonnenlichtgetriebenen Umwandlung von Wasser und CO2 in Brennstoffe zu steigern.
Projektrahmen: BMBF Nachwuchsgruppe: SINATRA - CO2UPLED
Förderung: Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
Förderkennzeichen: 033RC034
Laufzeit: 02/2021-01/2030
Website: https://sinatra-research.com/projekte/co2upled/
Kontakt: https://www.professoren.tum.de/tum-junior-fellows/streibel-verena
Weiterführende Informationen: SINATRA Research Initiative
Kontakt
Lehrstuhl für Experimentelle Halbleiterphysik
Prof. Dr. Ian Sharp